马国文

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

隧洞进水口段一般在地表水侵蚀、风化发育的斜坡面上，加上隧洞洞口段的深度往往较浅，岩石和土壤难以形成结构上的支撑拱，使坡表面容易开裂，形成张力缝，一旦水沿裂缝表面侵入，其稳定性难以得到保证。因此，隧洞洞口段的破坏经常由某个裂缝损伤的崩溃发展开来，所以隧洞进水口段的边坡稳定性是必须认真对待的设计和施工问题。李建林等[1]通过对卸荷理论的应用，对三峡地下电站进水边坡进行了岩质边坡位移、应力分析和优化加固分析，给出了合理的建议方案。陈敏林等[2]通过运用三维非线性弹塑性有限元分析方法，模拟水布垭工程中导流隧洞开挖的洞脸开挖方式和运作模式。

对于水库的库岸边坡滑坡的主要危害包括以下几个方面：(1)大方量的岩土体滑入库中，减少了水库的可使用库容量，甚至变成堰塞湖，水库整体无法再继续使用。(2)假使滑坡体下滑速度极快，将会引起很大的涌浪，会影响到水库大坝的安全及发电电站的运行。(3)大方量的滑坡体对水库周围居民的生命财产安全会有灾难性的危害。因此，库岸边坡的安全稳定研究，直接影响着水利水电工程的如期修建和电站的正常运行[3-4]。水库的库岸滑坡和普通的滑坡有相同之处，但也有和它的不同之处。主要由于库岸滑坡受到库水位的升降影响较大[5]，库水位很快下降时，坡内浸润线的回落相对落后，会有超孔隙水产生压力。以上情况对土坡的稳定有不良的影响。

1 研究方法

极限平衡法以岩土体的力学分析为基础，在地质结构模型提供的可能滑动图示的基础上进行。极限平衡法首先依据选定范围的地质结构特征、结构面的空间位置和边坡的相互关系，依据边坡岩土体的力学情况和可能发生的滑动机制，确定可能存在的潜在滑动面形状以及位置，并且预先假定极限平衡状态时的应力分布和未知力的关系，最终沿潜在的滑动面计算各种荷载工况、分析抗滑强度。通过反复分析计算，将各个潜在滑动面的安全系数相对比，最终得出安全系数最小的潜在滑动面。极限平衡法属于稳定性分析中的定量分析。本文主要采用瑞典圆弧法，简化Bishop法和Janbu法进行敏感度分析[6-8]。

2 敏感性分析

2.1 选取的计算方法对土坡稳定安全系数K的影响

极限平衡法在进行安全系数分析时设定了假定，会对稳定安全系数的大小产生相应的影响。本文通过采用瑞典圆弧法、简化Bishop法和Janbu法研究不同的计算方法影响稳定安全系数的规律，这也是工程中常用的三种方法。如图1所示为水电站进水口均质边坡，土工参数如表1所示。

图1 不同坡高示意图

表1 土工参数

边坡的坡率1∶1，黏聚力c=40 kPa,φ=30°，γ=25 kN/m3，q=0 kPa，不同坡高(10 m, 20 m, 30 m，40 m，50 m)时，三种不同方法给出的计算结果如图2所示。三者之间的误差如表2所示。

图2 坡率1∶1时坡高—安全系数图

表2 坡率1∶1时不同的方法安全系数计算结果

由图2和表2可以看出，瑞典圆弧法的计算结果略小, Bishop法和Janbu法比较接近，Janbu法略大。在坡率1∶1的条件下，与瑞典圆弧法相比，Bishop法的结果约大6.0%，Janbu 法约大6.5%。对上述均质边坡c=40 kPa，φ=30°，Y=25 kN/m3,q=0 kPa，假定坡高h=30 m，而坡角变化时，计算其稳定安全系数K得出的结果如图3和表3所示。

图3 坡高30 m时坡角—安全系数图

边坡角α/(°)瑞典圆弧法简化Bishop法Janbu法3015.455.614515.786.636014.614.82

2.2 土体的强度参数对稳定安全系数K的影响

影响土体抗剪强度的主要指标，包括黏聚力c和内摩擦角φ两个指标。目前，土工试验的现状条件还不能达到完全精确得到这些强度指标的水平，试验得出的数值结果与原状土的实际强度存在一定偏差。存在这种偏差的原因是多方面的。比如说试验方法和试验仪器的方面肯定会存在偏差。比如说取土的时候，不免会扰动到原状土的状态，影响到土体本来的结构，以至于试验的数值结果和滑裂面的土体实际抗剪强度指标偏差较大。

表4、表5采用Janbu法计算，φ=30°,γ=25 kN/m3时，考查相同坡率、坡高时，不同黏聚力c对稳定安全系数K的影响规律。

表4 坡高30 m坡率1∶1时不同黏聚力不同方法安全系数计算结果

表5 坡高30 m坡率1∶2时不同黏聚力不同方法安全系数计算结果

从上述计算结果可以看出，各种计算方法对黏聚力c值的敏感性基本一致。对于坡高为30 m的1∶1和1∶2均质边坡，随着黏聚力c的逐渐增大，稳定安全系数K的增大幅度缓慢减小。且坡度更缓的1∶2均质边坡比1∶1的均质边坡对于黏聚力c的敏感性更强。

表6、表7采用Janbu法计算，φ=30°,γ=25 kN/m3时，不同坡率、坡高时，黏聚力c对稳定安全系数K的影响规律。

表6 不同黏聚力下同一坡高(30 m)不同坡率下安全系数计算结果

表7 不同黏聚力下同一坡率(1∶1)不同坡高安全系数计算结果

从表6可以看出，对于坡高为30 m的均质土坡，随着坡度越陡，安全系数对黏聚力的敏感度越小，并且随着黏聚力的增大，对安全系数的影响越小。

由表7所示，对于1∶1坡率的均质土坡，稳定安全系数K对黏聚力c的敏感性随坡高的增加逐渐降低，这主要与滑动面的位置有关，随着坡高的增加，滑动面越浅，滑动面的相对长度将减少，且滑动面在坡脚以下的土中的长度相对减少。

表8 坡率1∶1时不同摩擦角下不同计算方法得出的安全系数

表10采用Janbu法计算，c=40 kPa,γ=25 kN/m3，考查不同坡率、坡高时，内摩擦角φ对稳定安全系数K的影响规律。

从表10可以得出，不同的坡率情况下，稳定安全系数K对内摩擦角φ的敏感性并不一致，随着坡率的减小，稳定安全系数K对内摩擦角φ的敏感性逐渐增加。且随着内摩擦角的不断增大，敏感性不断变强，这其实是与tanφ曲线非线性的增大相关。

表9 坡率1∶2时不同摩擦角下不同计算方法得出的安全系数

表10 不同摩擦角不同坡率下安全系数计算结果

3 结 论

(1)针对同一边坡，不同方法得出的安全系数数值上有一定差异，瑞典圆弧法得出的稳定安全系数最小，Bishop法得出的稳定安全系数居中，Janbu 法得出的稳定安全系数最大。对于简单的均质边坡，瑞典圆弧法得出的稳定安全系数比 Bishop 法大约小7%，比Janbu法大约小8%。

(2)对于具有相同坡高的均质土坡，稳定安全系数对黏聚力c的敏感性随坡率的减小而增大。对于相同坡率的均质土坡，稳定安全系数对黏聚力c的敏感性随坡高的增大而减小。且坡度更缓的边坡对于黏聚力c的敏感性更强。对于具有相同坡高的均质土坡，稳定安全系数对内摩擦角φ的敏感性随坡率的减小而增大。对于相同坡率的均质土坡，稳定安全系数对内摩擦角φ的敏感性随坡高的增大而减小。